^*스마트 소재: 외부 환경의 자극(빛, 온도, 전·자기장)을 감지하고 이에 반응하는 소재. 자성 스마트 소재는 자기장에 반응에 반응하는 소재로 모양이 변하거나 점도 등이 달라진다.

^*가역반응: 물 얼려 얼음으로 만들고 역으로 얼음 녹여 물을 만들 듯 반대 방향으로 물질 변화 없이 진행 가능한 반응.

^*액추에이터(actuator): 구동장치. 센서(senor)나 외부에서 직접 받은 자극을 통해 움직이는 장치.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

급격한 산업 환경 변화와 더불어 다양한 소재 연구가 각광받고 있다. 그 중에서도 빛, 온도, 전·자기장 등의 외부 환경의 자극을 감지하고 이에 적응하여 스스로 반응하는 스마트 소재1) 연구에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 특히 그중에서도 자성 스마트 소재2)는 외부 자극인 자기장에 반응 속도가 빠르다는 점과 광범위한 환경에 침투 가능한 자기장의 특성 덕분에 다양한 활용도를 인정받으며 많은 연구가 이루어지고 있다.

자성 스마트 소재가 외부 자기장에 반응하여 형태 변형 및 움직임을 보이는 등의 작동은 외부 자기장과 자화 패턴(magnetization pattern)3)의 상호 작용에 의해 이루어진다. 기존의 자성 스마트 소재는 일반적으로 소재 제조 과정 동안 자화 패턴이 결정되고 자화 패턴을 수정하는 것이 쉽지 않았기 때문에 소프트 액추에이터(actuator)4)로써의 응용에 한계가 있었다.

2. 연구내용

본 연구팀은 자화 패턴의 재프로그래밍(재배치)이 가능한 고분자 기반 복합소재 개발에 성공했다. 자성 입자(NdFeB, 네오디움 자석)와 액체-고체 상변화가 가능한 상변화 물질5)인 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 혼합한 미소 구체(마이크로미터 단위의 알갱이)를 제작한 뒤, 이를 고분자 기질(matrix)내에 박아 ‘계층적 구조’를 갖는 복합 소재6)를 만들었다.

개발된 복합 소재는 상변화 물질의 비교적 낮은 용융 온도7)(58℃)를 기준으로 자성 특성이 가역적으로 변한다. 복합소재 내 상변화 물질이 용융점 이상의 온도에 도달하도록 열을 가하면 상변화 물질은 고체에서 액체로 상변화를 일으킨다. 액체가 된 상변화 물질 덕분에 자성 입자는 자성 미소 구체 내에서 물리적으로 쉽게 움직일 수 있고, 자성 입자의 배열과 패턴으로 결정되는 복합소재의 자화 패턴이 프로그래밍 가능한 상태가 된다. 반면, 복합 소재를 상변화 물질의 용융 온도 이하로 냉각시키면 자성 입자의 움직임이 불가능하게 돼 프로그래밍된 자화 패턴이 고정된다.

상변화 고분자의 고체-액체 상변화는 가역반응8)이기 때문에, 상기 과정을 반복하는 것만으로도 본 연구에서 개발한 연성 복합소재의 자화 패턴을 원하는 만큼 쉽게 재프로그래밍 할 수 있었다. 

진동 샘플 자력계 (Vibrating Sample Magnetometer, 자력 측정 장치)를 통해 미소구체 내의 상변화 물질의 상태에 따라 복합소재의 자성 특성이 변화하는 것을 확인하였다. 즉, 상변화 물질이 액체 상태일 경우 외부 자기장을 가해주는 다양한 각도에 따라 복합소재의 자기모멘트 밀도와 방향이 변화하는 것을 확인하였고, 고체일 경우 외부 자기장에 관계없이 자기모멘트의 밀도 및 방향이 일정하게 유지됨을 확인했다.

또 개발한 복합 소재를 이용해 매우 복잡한 3차원 형상을 실제 작동(in situ) 환경에서 재설계 하고, 구동이 가능한 오리가미(종이처럼 접혀지는) 자성 소프트 액추에이터까지 만들었다.

3. 기대효과

본 연구에서는 자화 패턴을 자유롭게 재프로그래밍 가능한 고분자 기반 복합소재 개발하였고, 이를 이용하여 매우 복잡한 3차원 형상들을 구동(in situ)환경에서 재프로그래밍하고, 움직일 수 있는 자성 소프트 액츄에이터 개발에 성공했다. 본 연구팀에서 개발한 복합 소재는 향후 의공학, 유연전기소자, 소프트 로봇 등 차세대 가변구조형 스마트 소재 시스템을 필요로 하는 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.